Силові трансформатори

З практики ремонту та конструювання

 

Здавалося б, про мережеві трансформатори сказано вже все чи майже все. Однак у практиці ремонту та конструювання зустрічаються дуже цікаві та неординарні ситуації, у плані практичного застосування, на яких слід зупинитися, щоб розглянути їх більш уважно.

 

У цій статті наводяться поради щодо застосування та виготовлення мережевих трансформаторів, розраховані на самостійне повторення будь-яким радіоаматором. Оскільки у наш час питання енергозбереження виходять на основні позиції, то цим питанням також приділено особливу увагу.

За останні роки все більшого поширення набувають імпульсні мережеві джерела живлення, — це не дивно. Виграш виходить як мінімум за двома позиціями: ККД та масогабаритними показниками. Це, природно, позитивні чинники, що схиляють радіоаматорів на бік повсюдного застосування імпульсних джерел живлення.

Не слід забувати про недоліки імпульсних джерел живлення (ІІП). Чи варто радіоаматору заради престижу у всіх своїх конструкціях намагатися застосовувати ІІП? Відповідь на питання лежить на поверхні, якщо згадати про ремонтопридатність конструкції ІІП, не кажучи вже про витрачені матеріали та час на виготовлення ІІП.

Отже, розглянемо ситуації, коли мережному ІІП зможе бути альтернативою мережевий трансформатор (СТ).

Безумовно, в низьковольтній апаратурі (при напругах живлення в кілька десятків вольт), особливо з великим споживанням струму, вигідно застосовувати так звані чопери (імпульсні знижуючі перетворювачі напруги). З високовольтними перетворювачами напруги (ПН), якими є мережеві ІІП, справа дещо інакше. Популяризація схемотехніки малопотужних (від одиниць до кількох десятків ват) мережевих ІІП часто не приносить очікуваних результатів. Ситуація може змінитися кардинально, коли ІІП розрахований на сотні ватів і більше.

Розглянемо випадок, коли споживана від мережі потужність у межах 1 …30 Вт.

Схемотехніка мережевих ІІП найпростіша лише у дорогих спеціалізованих мікросхем. Виготовлення імпульсного трансформатора мережевого ІІП-заняття не найпростіше та вдячне. Прості моточні вузли використовуються найчастіше в низьковольтних схемах ІІП, ніж у мережевих ІІП.

Коли ж потрібно вирішення конкретних завдань у вищевказаному діапазоні потужностей, то можна обійтися без мережного ІІП, тим більше, якщо немає часу на експерименти з ІІП та на його ремонт та виготовлення. Надійною заміною мережевого ІІП може бути СТ. Надійність виготовлення мережевих СТ є чимось труднореализуемым. СТ при якісному виготовленні надійніше за ІІП, що містить десятки радіокомпонентів, що часто працюють у напруженому режимі.

Вся техніка рано чи пізно виходить з ладу, а останнім часом спостерігається справжній шквал раптових відмов найрізноманітнішої електронної техніки, наприклад мобільних телефонів (усе зростаюча щільність монтажу та сумнівне походження комплектуючих не можуть не позначатися на зниженні якості та надійності). Висновок однозначний: радіоаматору необхідно уникати ускладнення схемотехніки повсюдно, де це можливо. Є можливість захиститися від глобальної «чіпізації», уникаючи нагромадження схемотехніки, наприклад, в блоках живлення (БП).

 

Низьковольтний потужний ІІП виготовити легше, ніж потужний мережевий ІІП. До того ж, комплектуючі для низьковольтного потужного ІІП широко поширені і коштують недорого, в порівнянні з потужним мережним ІІП. Заглибимося у розгляд найважливіших проблемних питань із застосування СТ, і навіть найефективніших і найпростіших у реалізації практично методів вирішення характерних проблем.

Надійність СТ, в першу чергу, залежить від використаного обмотувального дроту, типу його ізоляції та способу намотування (навал, що нині поширене і у заводів-виробників малопотужних СТ, або ж пошарово, з ізоляцією між шарами), матеріалу ізоляції, магнітопроводу, від режиму роботи СТ тощо. Тему ізоляційного матеріалу можна було б оминути стороною, але обставини, що склалися (наприклад, безграмотні статті в Інтернеті) привертають до зворотного.

Коли як ізоляційний матеріал між первинною (мережевою) та вторинною обмотками СТ радять застосовувати звичайний папір або картон, то до таких порад слід ставитися насторожено. Можу стверджувати, покладаючись насамперед на свій практичний досвід, що уникнути проблем з ізоляцією сумнівної якості, які з часом обов'язково виникають (через поступову деградацію параметрів діелектриків), можна лише правильним вибором типу ізоляційного матеріалу. Жодним чином не слід використовувати як ізоляційні матеріали між первинною і вторинною обмотками звичайний папір, особливо в тороїдальних СТ.

Якщо СТ передбачається експлуатувати в умовах підвищеної вологості, наприклад, у складі зарядного пристрою в гаражі, то ізоляція між первинною та вторинною обмотками СТ повинна бути виконана досить надійною. У герметичних конструкціях зі зниженням температури може виникати водяний конденсат. Спільна дія вологи та температури визначає так звану термовологу агресивність клімату, яка викликає прискорене старіння матеріалів. І діелектрики не є винятком. Від гігроскопічності (здатності сорбувати вологу з навколишнього середовища) та вологопроникності конкретного ізоляційного матеріалу, зрештою, залежить його провідність. Провідність ізоляції призводить до проблем в експлуатації СТ, необхідності його заміни або ремонту.

Найпростіші у виготовленні (для виробника побутової техніки) СТ типів ТС-180, ТС-200 або ТС-270, в яких застосовано міжшарову та міжобмотувальну спеціальну паперову ізоляцію, що забезпечує надійну довготривалу ізоляцію. Надійність трансформаторів у цьому випадку забезпечена застосуванням спеціально обробленого паперу.

В якості міжобмотувальної та міжшарової ізоляції до температур менше 130°С раніше застосовували лаковані папери, на зміну яким прийшли синтетичні плівки, що мають підвищену електричну міцність.

Для захисту СТ від впливів зовнішнього середовища застосовується просочення, обволікання та заливка. Ці високоефективні, але в той же час трудомісткі та дорогі технологічні рішення забезпечення підвищеної надійності СТ любителі застосовують лише вимушено, наприклад, у високовольтних СТ, де без таких способів ізоляції пробій між обмотками відбувається дуже швидко.

Одна лише низькоякісна ізоляція може геть-чисто зіпсувати СТ. Причому спочатку такий СТ може працювати без будь-яких нарікань. З часом СТ починає «битись» струмом, пощипувати за руки. Поступово ізоляція лише погіршується і з часом експлуатація СТ стає вкрай неприємною, а незабаром небезпечною для життя.

Щоб уникнути ураження електричним струмом, не кажучи вже про повторне намотування вторинної обмотки (для заміни ізоляції треба вторинну обмотку спочатку видалити), необхідно застосовувати спеціальні ізоляційні матеріали, наприклад лакоткань або (що ще краще) стеклолакоткань. Ці матеріали найбільш підходять для тороїдальних СТ, як такі, що забезпечують найбільшу електричну міцність при мінімальній товщині ізоляційної плівки (до 60 кВ/мм).

Хороші результати забезпечує конденсаторний папір (до 20 кВ/мм), покладений у кілька шарів. Для тороїдальних трансформаторів краще застосувати лакотика. Слід зазначити відразу, що для деградації діелектрика зовсім не обов'язково має великий перепад температур і підвищену вологість. Якщо матеріал для ізоляції обраний невдало, то кімнатних умов цілком достатньо, щоб згодом переконатися у всьому сказаному та усвідомити, наскільки важливим є це питання.

Ще одна дуже важлива обставина – обов'язкове випробування міжобмотувальної ізоляції СТ високою напругою. Але робити це потрібно в такий спосіб, щоб забезпечити умови неруйнівного контролю, уникаючи виникнення (привнесення) нових дефектів у міжобмотувальній ізоляції. Досягають цього обмеженням струму в ланцюзі випробувальної напруги на рівні кількох десятків мікроампер, не більше 100 мкА. Величину випробувального напруження визначають із співвідношення:

 

Uncn=1000+2Upa6,

 

де Uраб – робоча напруга.

Пробивна напруга ізоляції повинна бути в 1,5-2 рази більшою за випробувальну. Тому в ТУ за випробуваннями зазначена величина 3850 В випробувального напруження для міжобмотувальної ізоляції СТ, яку він повинен витримувати протягом 5 хв.

Не дивуйтеся, що багато саморобних СТ (і не тільки саморобних!) не зможуть пройти цей тест. Якщо СТ використаний матеріал міжобмоточної ізоляції належної якості, то переробляти СТ немає потреби, навіть якщо він витримує знижену випробувальну напругу, але експлуатується СТ виключно в кімнатних умовах, тобто. забезпечено стабільність параметрів ізоляції. Автор статті як випробувальна напруга використовує постійну напругу 3000В від портативного приладу, що містить у своєму складі перетворювач напруги та мікроамперметр для вимірювання струму ланцюга 0…3000 В.

Саме поступове збільшення випробувального напруження на СТ з обов'язковим обмеженням струму забезпечує неруйнівний метод контролю. Власне вимірювальний прилад виготовлявся для перевірки насамперед високовольтних транзисторів малих блоків телевізорів, а також для перевірки діодів та конденсаторів.

Збільшення температури скорочує термін служби ізоляції. Саме тому так важливо, щоб СТ менше нагрівався, тобто. зменшуючи коефіцієнт навантаження СТ, ми обов'язково збільшуємо надійність СТ.

Струм «холостого ходу» (1хх) має бути незначним, якщо хочемо наблизитися до мережевих ІІП у плані економічності (ККД). У сучасних СТ втрати «холостого ходу» складають від 0,1 до 2% їхньої номінальної потужності, а 1хх – від 0,5 до 10% номінального струму первинної обмотки. Великі значення належать до СТ невеликої потужності, тобто. у малопотужних СТ струми 1хх явно завищені. На жаль, у малопотужних СТ промислового виготовлення 1хх може значно перевищувати 10% від максимального струму первинної обмотки або від максимально використовуваного струму в конкретній ситуації (конструкції пристрою). При великосерійному виробництві йде економія кожного грама витратних матеріалів, тим більше мідного дроту, особливо зараз, коли ціни на мідь різко зросли (наприклад, 1 м емальованого дроту діаметром 1 мм коштує вже 85 коп.). Про азіатських СТ говорити не обов'язково, оскільки багато читачів з ними познайомилися на особистому досвіді.

 

Отже, у світлі підйому цін на електроенергію стає дуже актуальним мінімізація 1хх будь-яких СТ, особливо тих, у яких цей струм занадто великий. Розглянемо коротко три основних способи зниження величини 1хх.

 Перший спосіб полягає у пропорційно збільшеній кількості числа витків всіх обмоток та особливостей не має. Число витків всіх обмоток збільшують в 1,2-1,4 рази вище за розрахункове значення. Але тут є деякі нюанси. Для забезпечення менших просідань напруги на вторинних обмотках вибирають із запасом. Величина 1хх за такого виконання СТ, залежно від коефіцієнта збільшення кількості витків (1,2-1,4), знижується у кілька разів.

 

Другий спосіб зниження 1хх полягає у деякому зменшенні напруги на первинній обмотці СТ за рахунок послідовно включеної з нею лампи розжарювання (ЛН). Як правило, використовуються ЛН, розраховані на робочу напругу 220 В. Нерідко застосовуються ЛН інші робочі напруги. Використання ЛН 220 більш переважні в тих ситуаціях, коли потрібен ефективний захист СТ в режимах, близьких до КЗ по вторинній обмотці СТ, а також при аварійному підвищенні мережевої напруги до 300 ... 380 В. Гранично допустима напруга для аналізованого тандему з ЛН на 2 і СТ на 220 становить не менше 440 В. Така система надійно забезпечує роботу СТ практично у всіх позаштатних для СТ ситуаціях. Метод привабливий саме тим, що не вимагає значних матеріальних витрат і робіт, але в той же час ефективний не тільки в малопотужних СТ на одиниці ват, але може успішно застосовується на великих потужностях, від десятків до сотень ват.

Підвищення економічності та надійності СТ досягається зменшенням 1хх за рахунок падіння деякої напруги на ЛН. При цьому в СТ, якщо необхідно, домотують вторинну обмотку (тільки вторинну, що зробити набагато простіше і швидше, ніж у разі переробки первинної обмотки). Неодноразово відбувалося так, що не потрібно доматювати вторинну обмотку, незважаючи на падіння напруги на ЛН у кілька десятків вольт. Наприклад, випрямляч на двох діодах (двохнапівперіодний, із середньою точкою, з відведенням від СТ) можна переробити в бруківці.      

За рахунок дворазового використання змінної напруги мостовим випрямлячем, порівняно із заводським варіантом на двох діодах, де вся обмотка видавала в результаті вдвічі меншу постійну напругу, мостовий випрямляч дозволяв мати запас вихідної напруги, щоб його можна було застосувати для зниження, але вже по первинної обмотки СТ (рис.1).

Раніше фазуванням обмоток замінювали їх послідовне з'єднання паралельним, тобто. при тому струмі навантаження зменшували просідання напруг і на вході випрямляча, і на його виході. Коли потрібно збільшити ККД усієї системи в цілому, міст запитують від усієї штатно послідовно з'єднаної обмотки. Маючи майже подвійний запас з випрямленої вихідної напруги, можна послідовним включенням ЛН значно полегшити режим роботи СТ. Струм 1хх в результаті знизився в кілька разів.

Коли немає можливості домотати вторинну обмотку, СТ замінюють на СТ іншого типу, у якого напруга на вторинній обмотці при послідовному включенні ЛН така, як потрібно.

Тип та потужність ЛН потрібно підібрати вже під кожну конкретну ситуацію. Нічого складного у цьому заході немає. За допомогою ЛАТРа домагаються роботи підключеного до СТ пристрою в потрібних межах напруги, як правило, 180 ... 260 В. Можна приємно здивуватися, що з ЛН діапазон легше розширити, особливо в бік великих значень, до 270 В, а то і більше.

             
 

Виявляються дуже приємні перспективи різкого підвищення надійності СТ, оскільки правильний вибір ЛН дозволить реально забезпечити практично безвідмовну роботу СН у будь-якій позаштатній для нього ситуації (від режиму «холостого ходу» при аварійному підвищенні напруги мережі і до ситуації режиму КЗ вторинних обмоток). Тут ЛН вже виконує функції запобіжника, але робить це гнучко, не перегораючи як запобіжник, не відключаючи техніку від мережі.

Подібним способом можна врятувати СТ різних зарубіжних апаратів: від найдешевших, включаючи і поширені універсальні світильники (з перетворювачами напруги для живлення ЛДС, з радіоприймачем, мигалками та музичними чіпами), з їх зарядними пристроями, і до більш дорогих виробів, як промислового, так та самостійного виготовлення.

 

Третій спосіб підвищення економічності СТ. Суть цього варіанта полягають у одночасному використанні двох екземплярів однотипних СТ (рис.2), тобто. два СТ одного типу повинні спільно працювати від однієї електромережі на одне загальне навантаження. З цією метою мережеві обмотки обох СТ з'єднують згідно послідовно (тобто сфазовано). З вторинними обмотками надходять або так само, або включають їх паралельно.

У результаті виходить складовий СТ, який подібний до навантажувальних характеристик одиничному виконанню СТ, але за деякими характеристиками сильно перевершує свій прототип. Так, наприклад, максимально допустима мережна напруга становить більше 400 В. Струм 1хх може знизитися при роботі в мережі 220 В не менше ніж у 4 рази. Недолік даного варіанту полягає в тому, що проявляються просідання напруги на обмотках СТ. Для їх усунення після випрямляча використовують стабілізатор напруги.

Джерело: www.electrician.com.ua